基于SOPC的数字视频采集卡的设计

摘要

随着数字广播电视技术的普及,人们对视觉品位要求越来越高,传统视频处理技术因其制作粗糙、特效单一,已远不能满足观众的要求。将数字视频信号采集到计算机中,在计算机中可以方便的对采集的视频进行各种特效的处理,然后再播出,这样可丰富视频特效种类、提高视频的视觉效果。因此,数字视频信号采集成为视频处理领域一个重要研究方向。
　　本文对基于SOPC的数字视频采集卡进行了研究。通过对数字视频采集卡的分析研究,提出对数字视频依次进行解码解扰、串并转换、数据缓存、数据传输的系统方案,硬件方面构建了以CycloneⅡ芯片EP2C20Q240C8为主处理芯片的硬件平台。在软件方面编制了SDI输入处理、数据处理、帧头检测模块、时钟相移、输入缓冲等模块,完成了数据的前端处理,核心模块SOPC系统由PCI核,DMA核,自定义组件组成。为解决数据采集过程中数据冗余的问题,提出了使用自定义组件工作在流模式的方法,保证采集卡可以在没有数据来源时保持等待,从而不会采集到无效数据。为满足SDI信号数据传输速率270Mbit/s要求,提高采集卡传输效率,提出了使DMA工作在BUFFER模式下的方法,实现了采集卡的性能功能要求,并达到了2112Mbit/s的采集效率。FPGA各功能模块仿真及最后系统测试表明。
　　本文开发的基于SOPC的数字视频采集卡驱动运行正确,采集的数据符合数字视频格式,所采集图像画像稳定、不抖动。通过研究分析,利用SOPC系统集成度高的优点,缩短了研发周期,保证了系统稳定性,节约了成本,进一步可以对数字视频的播出卡进行研究,使板卡能够采集视频信号到计算机中,又可以同时播出计算机中处理好的视频信号,这将对研究视频信号与计算机通信领域方面具有积极作用。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外数字广播电视发展的现状

1.3 数字视频采集卡的发展现状

1.4 SOPC技术的发展现状

1.5 本课题主要研究工作

第二章 基于SOPC的数字视频采集卡的系统设计

2.1 数字视频采集卡的系统设计

2.2 硬件系统框图设计

2.3 SDI处理模块

2.3.1 SDI均衡

2.3.2 SDI时钟提取

2.4 FPGA系统

2.4.1 EP2C20Q240C8

2.4.2 FPGA配置

2.5 PCI总线及桥接模块

2.5.1 PEX8112

2.5.2 桥接部分电气规范

2.5.3 时钟及复位

2.6 电源模块

第三章 采集卡数据预处理模块的软件设计

3.1 FPGA软件系统框图

3.2 SDI接收模块

3.3 数据变换模块

3.4 时钟相移模块

3.5 数据缓存模块

3.5.1 DRAM模块

3.5.2 写地址产生模块

3.5.3 标志信号产生模块

3.5.4 读使能控制模块

3.5.5 读地址产生模块

3.6 帧头检测模块

3.7 数据预处理模块仿真

第四章 采集卡的SOPC模块设计

4.1 AVALON总线简介

4.2 SOPC系统框架组成

4.3 PCI组件

4.4 DMA组件

4.4.1 DMA工作原理

4.4.2 DMA组件定制

4.4.3 DMA突发模式的选择

4.5 数据采集自定义组件SDI IN

4.5.1 AVALON流模式工作原理

4.5.2 自定义组件定制

4.5.3 自定义组件工作原理

4.6 SOPC系统模块

4.7 SOPC系统模块数据测试

第五章 基于SOPC的数字视频采集卡的驱动程序设计

5.1 驱动程序开发工具的选择

5.2 使用WinDriver开发驱动程序

5.2.1 构建驱动程序框架

5.2.2 DMA控制

5.2.3 中断处理

5.2.4 数据存储

5.2.5 链式DMA的驱动设计

第六章 系统测试

6.1 测试环境

6.2 驱动测试

6.3 内存中的数据测试

6.4 图像测试

6.5 性能测试

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

附录一 电路原理图

附录二 FPGA顶层部分原理图

附录三 自定义数据输入组件核心代码

附录四 DRAM标志信号产生模块程序代码

附录五 DRAM读使能控制模块程序代码

致谢